Analoge CMOS-Schaltungen

Transkript

1 Analoge CMOS-Schaltungen PSPICE: Oszillator-Schaltungen 19. Vorlesung

2 Einführung 1. Vorlesung 8. Vorlesung: Inverter-Verstärker, einige Differenzverstärker, Miller-Verstärker 9. Vorlesung: Miller-Verstärker als Subcircuit 10. Vorlesung: Temperaturanalyse 11. Vorlesung: Rausch-Analyse 12. Vorlesung: Fourier-Analyse 13. Vorlesung: Einfluß des Layouts auf analoge Schaltungen 14. Vorlesung: Monte-Carlo-Analyse, Worst-Case-Analyse 15. Vorlesung: Transfer-Analyse, Sensitivity-Analyse 16. Vorlesung: Parameter-Analyse 17. Vorlesung: ABM-Bauelemente 18. Vorlesung: Transmission Line 19. Vorlesung: Oszillator-Schaltungen 20. Vorlesung: Abändern von Bauteilen 21. Vorlesung: Optimizer zur Schaltungs-Optimierung 22. Vorlesung: Smoke zur Schaltungs-Stress-Analyse 23. Vorlesung: Sample-and-Hold-Schaltung 24. Vorlesung: PSPICE und Systemtheorie 25. Vorlesung: Zukünftige analoge CMOS-Schaltungen Analoge CMOS-Schaltungen Folie 2

3 Barkhausen-Kriterium Barkhausen-Kriterium Wie lautet die Schwingbedingung (Barkhausen-Kriterium)? + H(jω) + H(jω) + H(jω) Analoge CMOS-Schaltungen Folie 3

4 Barkhausen-Kriterium Barkhausen-Kriterium Erklären Sie den Schwingungsaufbau bei einem Oszillator!! Was für eine Ursache hat V 0? V in + H(s) V out V 0 + x H(s) + x H(s) + x H(s) Analoge CMOS-Schaltungen Folie 4

5 Oszillator-Schaltung Oszilliert die untere Schaltung? Oszillator-Schaltung V DD R 1 V out M 1 C 1 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 5

6 Oszillator-Schaltung Oszilliert die untere Schaltung? Oszillator-Schaltung V DD R 1 R 2 V out M 1 C 1 M 2 C 2 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 6

7 Oszillator-Schaltung Oszilliert die untere Schaltung? Oszillator-Schaltung V DD R 1 R 2 R 3 V out M 1 C 1 M 2 C 2 M 3 C 3 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 7

8 Ring-Oszillator Wieviel ist die minimale Verstärkung pro Stufe A 0 für eine Oszillation? jω jω jω -3ω 0 σ -3ω 0 σ -3ω 0 σ 3 A0 ( s) = s 1 + ω0 H ( 0 ) 0 3 p1 = A 1 ω p A ( 1± j 3) 0 2,3 = 1 2 ω0 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 8

9 Ring-Oszillator Wieviel ist die minimale Verstärkung pro Stufe A 0 für eine Oszillation? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 9

10 Ring-Oszillator Stellen aus analog2.opj unter einen neuen Projektnamen einen dreistufigen Ringoszillator zusammen und simulieren diesen!! Was passiert?? analog2 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 10

11 simuliertes Ergebnis: PSPICE-Simulation keine Oszillation!! warum?? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 11

12 Ursache: fehlendes V 0!! Ring-Oszillator V 0 + x H(s) + x H(s) + x H(s) Möglichkeit der Eingabe in PSPICE?? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 12

13 Ring-Oszillator Ursache: fehlendes V 0!! Lösung: Vorbelegen der Knotenspannung: durch "Place/Part/"IC1", ("initial condition")verbinden mit einem Knoten, Wert zuweisen (hier 500mV) bei differentiellen Oszillator-Schaltungen: differentielles IC2 verwenden Analoge CMOS-Schaltungen Folie 13

14 Ring-Oszillator Simulieren sie diesen Ringoszillator mit "initial condition" IC1 von 500mV!! Was passiert?? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 14

15 simuliertes Ergebnis: PSPICE-Simulation Drainspannung M1 Oszillation abnehmend!! warum?? Drainspannung M2 Drainspannung M3 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 15

16 Ring-Oszillator jω -3ω 0 σ 0< A 0 <2 A 0 =g M R1 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 16

17 Ring-Oszillator Was ist zu tun, um den Ringoszillator zum Schwingen zu bringen? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 17

18 simuliertes Ergebnis: PSPICE-Simulation Oszillation!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 18

19 simuliertes Ergebnis: PSPICE-Simulation mit welcher Frequenz?? Anfangsverhalten unbrauchbar Analoge CMOS-Schaltungen Folie 19

20 simuliertes Ergebnis: PSPICE-Simulation Measurement/Period_XRange(V(M3:d)) in bestimmten X-Bereich Period: erste Periode falsches Ergebnis!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 20

21 PSPICE-Simulation simuliertes Ergebnis: Periode 857ps entspricht 1,16 GHz Analoge CMOS-Schaltungen Folie 21

22 Ring-Oszillator Auf die Wafer werden zur Kontrolle des Prozessablaufes Ring-Oszillatoren ohne Lastkapazität eingesetzt. Aus deren Frequenz kann man Rückschlüsse auf den Prozessablauf ziehen. Analoge CMOS-Schaltungen Folie 22

23 Ring-Oszillator Simulieren sie diesen Ringoszillator ohne Lastkapazität. Zur Fourier- Transformation erhöhen sie die Simulationsdauer auf 3000 ns. Beobachten sie die Amplitude des Signals!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 23

24 simuliertes Ergebnis: PSPICE-Simulation näher betrachtet Analoge CMOS-Schaltungen Folie 24

25 simuliertes Ergebnis: PSPICE-Simulation unregelmäßige Amplitude!! warum?? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 25

26 Ring-Oszillator Ursache dafür sind Rundungsfehler, die PSPICE macht. Diese Rundungsfehler können aber mit "PSPICE/Edit Simulation Profile/Options" beeinflußt werden. Bezeichnung in Output-File Analoge CMOS-Schaltungen Folie 26

27 Die wichtigsten Werte: Ring-Oszillator Relativ zulässige Toleranz von Strom- und Spannungswerten, innerhalb deren Grenzen der jeweils iterative Wert konvergieren muß (Default 0.001) Absolute Berechnungsgenauigkeit für Spannungen/Ströme/Ladungen (Default 1µV/1pA/0,01pC) Analoge CMOS-Schaltungen Folie 27

28 Ring-Oszillator Setzen sie relative Toleranz , absolute Toleranz Spannungen 0.01µV und Ströme 0.01pA. Simulieren sie dann diesen Ringoszillator ohne Lastkapazität. Beobachten sie jetzt die Amplitude des Signals!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 28

29 simuliertes Ergebnis: PSPICE-Simulation näher betrachtet Analoge CMOS-Schaltungen Folie 29

30 simuliertes Ergebnis: PSPICE-Simulation regelmäßige Amplitude!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 30

31 simuliertes Fourier-Ergebnis: PSPICE-Simulation Grundschwingung bei welcher Frequenz?? Harmonische Analoge CMOS-Schaltungen Folie 31

32 PSPICE-Simulation simuliertes Fourier-Ergebnis (W/L=160µm/1µm): Grundschwingung bei ca. 1,2 GHz!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 32

33 Ring-Oszillator Eine Kenngröße für die maximale Frequenz, die ein MOS- Transistor verkraftet, ist die sog. Transitfrequenz. I DS 2 π ft = ωt 1 I Die Transitfrequenz im Kleinsignalfall für Sättigung ist invers abhängig von der Gatelänge zum Quadrat (ungefähr) 2 π f T = ω Diese Gatelängen-Abhängigkeit lässt sich auch am Ring-Oszillator demonstrieren. T 1 L 2 GS Analoge CMOS-Schaltungen Folie 33

34 Ring-Oszillator Simulieren sie diesen Ringoszillator bei gleichen W/L mit L=2µm und L=0,5µm (doppelter und halber Wert von 1 µm) und stellen die Frequenz der Grundschwingung fest!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 34

35 PSPICE-Simulation simuliertes Fourier-Ergebnis (L=2µm W/L=320µm/2µm): Grundschwingung bei ca. Analoge CMOS-Schaltungen Folie 35

36 PSPICE-Simulation simuliertes Fourier-Ergebnis (L=0,5µm W/L=80µm/0,5µm): Grundschwingung bei ca. Analoge CMOS-Schaltungen Folie 36

37 Zusammenfassung -Barkhausen-Kriterium: Schwingbedingung -verschiedene Schaltung, "Ring-Oszillator", minimale Verstärkung -PSPICE: Vorladung der Knoten "IC1" -PSPICE: Einstellung der Genauigkeit -Gatelängen-Abhängigkeit der Schwingfrequenz -PSPICE-Simulationen bestätigt? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 37

38 Wien-Brücken-Oszillator Aufgabe Wien-Schaltung: Resonanzverhalten wien_schaltung R1=R2 C1=C2 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 38

39 Wien-Brücken-Oszillator PSPICE-Simulation Wien-Schaltung: Resonanzverhalten 333mV Vout bei 1 V Vin =1/3 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 39

40 Wien-Brücken-Oszillator Aufgabe Wien-Brücke: Resonanzverhalten wien-bridge Spannungsteiler 1/3 R1=R2 C1=C2 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 40

41 Wien-Brücken-Oszillator PSPICE-Simulation Wien-Brücke: Resonanzverhalten Analoge CMOS-Schaltungen Folie 41

42 Wien-Brücken-Oszillator Aufgabe Wien-Oszillator: OpAmp ergänzen (hier user_opamp) OpAmp bei geeigneter Rückkopplung: V(-) = V(+)!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 42

43 Wien-Brücken-Oszillator Aufgabe Wien-Oszillator: OpAmp ergänzen nicht-invertierter Spannung-Spannung-Verstärker Wien-Oszillator: mindeste Verstärkung =1/3 + Vin = Vout R3+ R4 R4 Vin - Vout R4 R3 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 43

44 Wien-Brücken-Oszillator Aufgabe Simulieren Sie in geeigneter Weise den Wien-Oszillator unter Verwendung des user_opamp!! Wie kann man schaltungstechnisch das Anschwingen gewährleistet? R1 1k + C1 1n - R2 1k C2 1n R4 R3 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 44